RFID与人脸识别技术在开放实验室管理中的应用

谢芸，陈宁江

（1.广西大学计算机与电子信息学院，南宁 530004；2.广西大学行健文理学院，南宁 530005）

RFID与人脸识别技术在开放实验室管理中的应用

谢芸1，2，陈宁江1

（1.广西大学计算机与电子信息学院，南宁 530004；2.广西大学行健文理学院，南宁 530005）

针对高校开放实验室管理中面临的实验室使用人员身份难以确认问题，提出基于RFID和人脸识别技术相结合的管理方式，研究一种系统实现方案，阐述系统的架构和认证工作流程。它能有效解决传统模式中存在的人员身份核实困难、身份易被盗用的问题。

射频技术；人脸识别；身份认证；实验室管理

0 引言

随着每年的高校的不断扩招，在校学生人数呈现逐年上升的趋势，现有的实验教学资源已无法满足需求[1]。如若仍然延用老式的教学模式，在有限的计划学时内，想让学生多做一些自主创新的实验、提高动手能力，难度非常之大。为了解决学校实验教学之源匮乏与在校学生数量激增之间的矛盾，高校开放型实验室的建设，已成为了一个必然趋势[2]。

以传统的人工管理方法管理开放实验室，就要求全天24小时管理人员在岗，并对每一个进出的学生、教师进行登记，还要对他们的身份进行核实。在此种传统模式下对实验室进行管理，不仅是人力的一种浪费，而且在身份核实方面，也是很难实现的，所以人工管理方式已不能适应目前开放实验室建设的发展需求[3]。基于此类情况，不少高校的开放型实验室开始使用RFID技术对实验室进行管理[4～5]，对于实验设备以及耗材方面的进、销、存管理问题，RFID技术已经能很好解决。但对于进出实验室人员身份认证的问题，单纯的RFID技术显得力不从心。

本文提出一种RFID技术与人脸匹配技术相结合的管理方案。该方案不仅能最大限度地提升实验室的利用率，而且通过使用人员持有的RFID卡ID号，可以在后台快速搜索出已存储在数据库中的对应的人像信息，再对前台摄像头采集到的视频图像进行人像提取，之后将两者通过人脸匹配算法进行对比，以确保使用实验室人员的身份安全可靠。并且此种方法可以对使用者的到达和离开时间进行全程记录，解决实验室使用记录难追溯的问题。

1 技术基础

Radio Frequency Identification（简称：RFID）是利用空间电磁波的耦合或者传播来进行通信，达到自动识别被识别对象、获取识别对象相关信息的目的[6]。射频技术在当前的人们的生活中起着极其重要的作用，也被广泛运用于开放实验室的管理，如实验设备的入库、出库、外借、盘点等方面，然而，在对于人员管理方面，仍然单纯的使用RFID射频卡作为身份识别，就存在很大的弊端，会出现例如卡片丢失、借用、被盗用和数据复制等情况，使得身份不明的人员可以随意进去实验室，给实验室的安全留下了很大的隐患[7]。

人脸匹配是通过分析输入的人脸图像得到每个人脸的位置、大小和各个主要面部器官的位置等信息,并依据这些信息,进一步提取每个人脸中所蕴含的身份特征,将其与已知人脸库中的人脸进行对比,从而识别每个人脸的身份[8～9]。主要包含图像预处理、面部特征提取和人脸匹配等3个环节。

使用RFID和人脸识别技术相结合的方式对使用开放实验室的人员进行管理，首先通过RFID技术进行初步身份认证，再采用人脸识别技术进一步核实人员身份，形成一种安全、有效的技术。RFID技术实现系统的自动控制，减少实验室管理员的工作量；人脸识别二次身份确认，更能有效保证使用者身份的可靠性，极大地提高实验室使用的安全性，同时可以实时记录进出人员信息并对非法入侵者发出报警信号[10～11]。

2 系统方案设计

本系统硬件设备主要有门禁控制器、电子门锁、RFID卡、视频摄像机、后台管理主机、报警设备六大部分组成。门禁控制器使用低频通信接口搜索RFID信号，当接收到RFID信号后，立即从后台查询出相应的人像信息，并与前端视频采集信息进行匹配认证，如果发现异常，则及时进行报警。同时，门禁控制器也通过TCP/IP方式与后台管理主机进行通信，通过对电子门锁、报警设备的控制，实现门禁和报警功能。其系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

人员身份认证包括RFID认证和人脸图像认证两部分，其工作流程如图2所示。当使用人员到达设定的验证监测区域时，RFID读卡器读入持卡人的RFID卡信息，并从后台数据库调出相对应的人脸图像；与此同时，启动视频摄像机采集持卡人的人脸图像，将二者得出的图像进行匹配认证，当认证结果一致时，认定该持卡人为合法人员，开放门禁系统并记录人像、时间等相关信息；当认证结果不一致时，系统启动报警设备，并记录人像相信与时间。整个认证过程中，视频监控一直处于开启状态。

图2 系统工作逻辑流程图

3 人脸认证工作流程

当主机接收到RFID信息后，通过视频摄像机开始对图像进行采集，把图像信息传输到后台主机进行人脸图像的认证、储存。认证过程中，采用人脸检测技术先检测视频中是否存在人脸图像，若不存在人脸则重新进行图像采集，若存在人脸图像则采用基于形状上下文人的形状匹配策略[12]，将人脸图像与RFID认证得到的对应的人脸图像进行匹配，然后根据认证结果驱动门锁控制或报警设备，整个过程中对视频信息进行储存和记录。其工作的主要流程图如图3。

（1）人脸检测和定位的实现过程

①系统监测到RFID信号后，启动摄像头进行图像抓拍，生成静态图片；

②利用检测环境中的已知信息，如肤色、发色、背景结构、固定标记、物体颜色等，可快速将头部从背景中大致分离出来；

③结合五官的常规分部情况，确定人脸存在的大致范围；

④使用灰度调整，解决全天不同时段内，环境光线变化的问题；

⑤处理后，会得到下面、直立、光线均匀的图像，用于与本地人像库中获取的图像作对比认证。

图3 人脸认证工作流程图

（3）人脸认证的实现过程

①利用在人脸检测阶段使用的基于形状上下文人的形状匹配算法，可以获得64个人脸特征点，这些特征点分别分布在眉毛、眼睛、嘴巴、脸部，这些部位的边缘轮廓上；

②选取下巴中点、上嘴唇中点、鼻尖、右嘴角、右眼角、右眉角信为基准点，计算基准点与其他特征点之间的夹角，生成角度直方图；

③选取一个基准点，形成一个以点Pi为中心的坐标系，每10度划分一个区域，将坐标系划分为36个区域（bin），基准点的属性用落入每个区域的人脸特征点个数Wi（k）来表示，用以下公式进行计算：

其中i=1，2，3，4，5，6，分别代表下巴中点、上嘴唇中点、鼻尖、右嘴角、右眼角、右眉角这6个基准点。

K=1，2，3，4，…，34，35，36，分别代表以基准点为中心的坐标系，按每10度划分成的36个区域（bin）。

例如：W1（2）=2表示以下巴中点为基准点时，在10度与20度这片区域，有2个特征点；

④按上述过程，每一个Wi（k）都是一个维度为36的向量，所以可将选取的6个基准点形成一个6×36的矩阵，如下：

⑤将两张待匹配的人脸转换为两个矩阵，用以下公式进行计算：

其中，W，W'分别为待认证人脸和已知人脸的矩阵，i=1，2，…，5，6，j=1，2，…，35，36；

⑥计算结果将是一个大于0且小于1的数值，这个值越趋近于1，表示越相似。

4 实验结果

根据上述方法，选取10张图片作为已知人像库，其对应编号为1～10，如下图4所示，并选用第10张图像作为待认证图像，进行认证。

图4 已知人脸数据库

首先，将10张图片与RFID卡作关联，使其都有对应的RFID卡ID号1～10，并将其存入数据库；

第二，使用第10张RFID卡进入门禁区域，通过ID号调取数据库里的已知人像；

第三，通过接口，将待认证的图像输入系统进行认证；

最后，两张图片匹配认证通过，并能成功驱动门禁系统工作。

从上面的实验过程可以看出，系统可以通过人脸认证的方式，对门禁系统起到控制作用，只允许身份合法的人员进入实验室，解决了人员身份认证困难，需长时间有管理人员值守的问题，大大增加了实验室的使用安全性。

5 结语

RFID技术的应用现已非常广泛，在门禁系统中也大量使用，人们对门禁安全也提出了越来越高的要求，单纯的RFID卡门禁系统已经不能满足现代人的需要，因此综合人脸身份识别技术的门禁系统应运而生，它可以最大限度的提高门禁系统的安全性。

在开放实验室的管理中，引进RFID与人脸识别相结合这种新兴的、突破性的自动识别技术，实现一个身份验证系统。系统在实践中具有实时性、安全性、有效性，彻底改变了传统的人工管理模式，让学生可以在宽松、自由、良好的环境中，进行自主学习、自主实验；同时科学化、自动化的管理模式，也将实验室管理人员从大量、繁琐的工作中解放出来，有更多的时间从事科研工作，大大提升了整个实验室的工作效率和利用率。

[1] 傅师申，陈衍夏，古大治,等.专业实验室建设与管理新模式的探索[J].实验技术与管理，2003,20（01）：113～116

[2] 耿新，陈心洁，姜臣林.开放性实验建设的实践与探索[J].实验室研究与探索，2011,30（12）：150～153

[3] 龚文芳.高校信息类实验室建设与管理模式的改革与创新实践[J].实验技术与管理，2010,27（05）：185～187

[4] 魏永禄，温慧明，李彦军.基于RFID技术的无障碍门禁管理[J].安防科技，2007,23（4-2）：255～256

[5] 胡文锋，王玲玲，翁绍捷.RFID技术在高样实验室设备管理中的应用[J].实验室研究与探索，2011,30（6）：392～394

[6] 龚世雄.浅析RFID技术及其应用[J].中国科技信息，2013,3（3）：52～53

[7] 史艳伟，张岩庆，刘克胜.基于RFID系统的安全性问题研究[J].计算机科学，2012,39（6A）：214～216

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[9] 严严，章毓晋.基于视频的人脸识别研究进展[J]，2009,32（5）：878～886

[10] 饶增仁，郭明超.RFID及识别技术在开放实验室中的应用[J].兰州大学学报，2009,45（6）：157-159

[11] 刘爽.嵌入式人脸识别系统的设计与实现[J].微电子学与计算机，2012,29（3）：174-177

[12] 周晟毅.形状相似度算法研究及其在相似人脸匹配中的应用[D].杭州.浙江大学,2007

Application of RFID and Face Recognition Technology in the Open Laboratory Management

XIE Yun1，2，CHEN Ning-jiang1
（1.College of Computer and Electronic Information,Guangxi University,Nanning 530004；2.Guangxi University Xingjian College of Science and Liberal Arts,Nanning 530005）

Facing the difficulties of confirming the identity of laboratory users in the management of open laboratory in university,proposes the solution of combining RFID and face recognition technology.Designs the scheme of implementation of the system,and introduces the system architecture and authenticating process.It can effectively solve the problems existing in the traditional mode such as identity verification and identity theft.

RFID;Face Recognition;Identity Authentication;Laboratory Management

1007-1423（2015）01-0032-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.01.008

谢芸（1984-），女，广西南宁人，本科，助理工程师，研究方向为计算机软件工程技术

陈宁江（1975-），男，广西南宁人，博士，教授，研究方向为软件工程、网络分布计算

2014-11-13

2014-12-09

广西高等教育教学改革工程项目（No.2014JGZ103）、广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻1348020-7）